合康 疊層母排在合康高壓變頻器上的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來，以IGBT為代表的雙極型復(fù)合器件迅速發(fā)展，使得電力電子器件沿著高電壓、大電流、高頻化、模塊化的方向發(fā)展。隨著我國高壓變頻器廣泛應(yīng)用于我國國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)，高壓變頻器朝著體積更小、結(jié)構(gòu)更加緊湊、功率密度高的方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上對高壓變頻器系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。目前，合康高壓變頻器均采用疊層母排作為濾波電容與功率模塊的連接部件，與傳統(tǒng)的、笨重的、費(fèi)時(shí)及麻煩的配線方法相比，使用疊層母排可以提供現(xiàn)代的、易于設(shè)計(jì)、安裝快速及結(jié)構(gòu)清晰的配電系統(tǒng)。

一、高壓變頻器未使用疊層母排時(shí)存在的尖峰電壓影響

在高壓變頻器功率回路中，IGBT 的關(guān)斷尖峰電壓是由于通過IGBT 的電流在IGBT 的關(guān)斷時(shí)而產(chǎn)生的瞬時(shí)高電壓。現(xiàn)以感性負(fù)載半橋電路關(guān)斷過程加以說明（如圖1）。

   圖1 感性負(fù)載半橋電路關(guān)段過程      圖2 尖峰電壓波形圖

假設(shè)Q2截止，Q1處于開通狀態(tài)。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當(dāng)Q1由導(dǎo)通變截止時(shí)，由于感性負(fù)載電流不能突變，將通過續(xù)流二極管D2續(xù)流，以構(gòu)成電流回路。此時(shí)Q1上的電壓將上升，直到它的值達(dá)到比母線電壓Ed高出一個(gè)二極管的壓降值才停止增加。但在實(shí)際的功率電路中存在寄生電感，如圖中的等效寄生電感LS。當(dāng)Q1截止時(shí)，電感LS阻止負(fù)載電流I0向Q2的續(xù)流二極管D2切換。在電感LS兩端產(chǎn)生阻止母線電流增加的電壓，它與電源電壓相疊加形成尖峰電壓（如圖2）并加在Q1的兩端。該尖峰電壓一方面增加了開關(guān)損耗，在極端情況下，該尖峰電壓會超過IGBT的VCES額定值，并損害IGBT。[1]

等效寄生電感分布于整個(gè)功率電路中，主要由母線寄生電感和功率模塊寄生電感等組成，分布電感量越大，負(fù)載電流越大，功率開關(guān)di/dt越短，這種危害就越嚴(yán)重，且這種危害不會因?yàn)楣β书_關(guān)器的選擇而消失。

二、疊層母排對抑制尖峰電壓起到的作用

高頻化、大功率電壓控制型功率器件在開關(guān)過程中，由于母線寄生電感和功率模塊自身電感的影響，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓一方面增加了開關(guān)損耗，使系統(tǒng)發(fā)熱增加，另一方面過高的尖峰電壓會影響功率模塊正常工作。因此，必須將開關(guān)過程的尖峰電壓限制在允許范圍內(nèi)。降低開關(guān)過程中尖峰電壓的途徑有兩種：一是通過選擇合適的柵極驅(qū)動電阻來減小di/dt，從而減小尖峰電壓，但弊端是導(dǎo)致dv/dt減小，開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間延長，進(jìn)而增加開關(guān)損耗；二是減少直流回路功率母線的分布電感(寄生電感)，這種方式通常采用疊層母排來降低尖峰電壓。

疊層母排（如圖3），其結(jié)構(gòu)是將兩層或多層銅排疊在一起，銅板層與層之間用絕緣材料進(jìn)行電氣隔離，通過相關(guān)工藝將導(dǎo)電層和絕緣層壓制成一個(gè)整體。它的優(yōu)勢是將連接線做成了扁平的截面，在同樣的電流截面下增大了導(dǎo)電層的表面積，同時(shí)導(dǎo)電層之間的間隔大幅降低，由于鄰近效應(yīng)使得相鄰導(dǎo)電層流過相反的電流，它們產(chǎn)生的磁場相互抵消，從而使得線路中的分布電感大幅降低。

圖3 合康疊層母排實(shí)物圖

合康高壓變頻器采用設(shè)計(jì)優(yōu)良的低電感疊層母排作為濾波電容與功率模塊的連接部件（如圖4），不僅可以大幅降低尖峰電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性。

圖4 疊層母排用于高壓變頻器實(shí)物圖

三、 疊層母排的其他優(yōu)點(diǎn)

1、提高系統(tǒng)可靠性

傳統(tǒng)母線因?yàn)榭紤]空間大小及載流情況，一般選用又厚又窄的銅排，不僅電阻大，散熱差導(dǎo)致系統(tǒng)溫升高，而且加工困難，安裝繁瑣。而使用疊層母排(如圖5中新結(jié)構(gòu)示意圖)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔清晰，整體化安裝，便于裝配和現(xiàn)場維護(hù)，提高生產(chǎn)裝配速度及降低了裝配出錯(cuò)率，從而降低整機(jī)裝配的人工成本；其次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成度高，方便產(chǎn)品系列化和模塊化，提高產(chǎn)品可靠性。

圖5 左：原結(jié)構(gòu)示意圖  右：新結(jié)構(gòu)示意圖

2、低阻抗，高容值，有效簡化IGBT吸收電路

疊層母排采用的絕緣紙厚度相對較薄，介電常數(shù)K相對較高，所以疊層母排的電容相對較大，即相當(dāng)于增加了系統(tǒng)電容；另外，疊層母排的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也決定了它相對于傳統(tǒng)母排具有均勻且高的分布電容、低的串聯(lián)電感、低的系統(tǒng)阻抗的特性（如圖6中方案1），可以有效簡化IGBT吸收電路。

圖6 電氣性能比較

3、使用更安全

局部放電是指絕緣內(nèi)部產(chǎn)生的局部漏電現(xiàn)象，會導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣快速老化，這將是高壓變頻器面臨的一個(gè)嚴(yán)重的安全隱患。造成局部放電的原因有：一是大于等于直流1kV的高電壓；二是不同電壓等級間的內(nèi)絕緣和銅板間有氣隙。疊層母排的絕緣層和銅板間用膠粘劑熱壓后完全貼合，無任何氣隙。出廠前進(jìn)行100%局部放電率測試，絕緣壽命超過20年，在整個(gè)變頻器使用過程中免維護(hù)，解決了變頻器因長期運(yùn)行而引發(fā)的安全隱患問題。

4、散熱效果更佳

疊層母排較低的阻抗特性能夠以更低的電壓降實(shí)現(xiàn)高電流承載能力，加上較高的容值儲存了更多的熱能，所以疊層母排比傳統(tǒng)母排更容易散熱冷卻，可以有效地降低系統(tǒng)溫升。

此外疊層母排的扁平結(jié)構(gòu)提供了更佳的散熱效果，寬而薄的導(dǎo)體對系統(tǒng)中空氣的流動十分有利。由于整體尺寸減少，系統(tǒng)散熱的成本也隨之減少。疊層母排不僅可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，還可以通過圓滑設(shè)計(jì)改進(jìn)熱流動。

5、對抗惡劣環(huán)境

使用傳統(tǒng)分離式母排，振動、鹽霧、冰雪和粉塵環(huán)境會對母排造成安全威脅：長期振動可能造成分離式母排連接處松動解體，海上的潮氣如果滲入絕緣體內(nèi)將導(dǎo)致層間擊穿，粉塵累積可能導(dǎo)致爬電擊穿，冰雪天氣可能使銅排受潮凝露，導(dǎo)致爬電擊穿等。而使用疊層母排，高強(qiáng)度整體粘結(jié)保證長期不松動，同等電流下可以使銅排盡量減薄，用彈性補(bǔ)償振動影響，全密閉結(jié)構(gòu)防止潮氣滲入，絕緣材料封裝消除了爬電擊穿的威脅，這些特點(diǎn)表明使用疊層母排可以整體提高系統(tǒng)對抗惡劣環(huán)境的能力。

四、 結(jié)束語

高壓變頻器運(yùn)行時(shí)，IGBT工作在大電流的高頻通斷狀態(tài)下，由于線路電感和器件寄生電感的存在，在IGBT關(guān)斷時(shí)會產(chǎn)生電壓尖峰施加在IGBT上，嚴(yán)重影響IGBT的工作狀態(tài)，降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性。通過上述疊層母排的特點(diǎn)，疊層母排在合康高壓變頻器上的應(yīng)用，可以有效地降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓，減小渦流熱效應(yīng)，大大簡便設(shè)備裝配及維護(hù)，對于改善變頻器的整體系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)的可靠性十分有利。